Roma no se construyó en un día pero algunas de las piedras preciosas más finas de la Tierra fueron, según una nueva investigación de la Universidad de Rice.

Aguamarina, Esmeralda, granate, El circón y el topacio son solo algunos de los minerales cristalinos que se encuentran principalmente en las pegmatitas, formaciones venosas que comúnmente contienen cristales grandes y elementos difíciles de encontrar como el tantalio y el niobio. Otro hallazgo común es el litio, un componente vital de las baterías de los coches eléctricos.

"Este es un paso hacia la comprensión de cómo la Tierra concentra el litio en ciertos lugares y minerales, "dijo el estudiante graduado de Rice, Patrick Phelps, coautor de un estudio publicado en línea en Comunicaciones de la naturaleza . "Si podemos comprender los conceptos básicos de las tasas de crecimiento de la pegmatita, es un paso en la dirección de comprender la imagen completa de cómo y dónde se forman ".

Las pegmatitas se forman cuando el magma ascendente se enfría dentro de la Tierra, y cuentan con algunos de los cristales más grandes de la Tierra. La mina Etta de Dakota del Sur, por ejemplo, presenta cristales del tamaño de un tronco de espodumena rica en litio, incluyendo uno de 42 pies de largo con un peso estimado de 37 toneladas. La investigación de Phelps, El geólogo de Rice, Cin-Ty Lee y el geólogo del sur de California, Douglas Morton, intenta responder una pregunta que ha molestado a los mineralogistas durante mucho tiempo:¿Cómo pueden estar cristales tan grandes en las pegmatitas?

"En minerales magmáticos, el tamaño del cristal está tradicionalmente relacionado con el tiempo de enfriamiento, "dijo Lee, El profesor de geología Harry Carothers Wiess de Rice y presidente del Departamento de la Tierra, Ciencias ambientales y planetarias en Rice. "La idea es que los cristales grandes tardan en crecer".

Magma que se enfría rápidamente, como roca en lavas erupcionadas, contiene cristales microscópicos, por ejemplo. Pero el mismo magma si se enfría durante decenas de miles de años, podría tener cristales del tamaño de un centímetro, Dijo Lee.

"Las pegmatitas se enfrían relativamente rápido, a veces en solo unos años, y, sin embargo, presentan algunos de los cristales más grandes de la Tierra, ", dijo." La gran pregunta es realmente, '¿Como puede ser?'"

Cuando Phelps comenzó la investigación, sus preguntas más inmediatas fueron sobre cómo formular un conjunto de medidas que le permitieran, Lee y Morton para responder a la gran pregunta.

"Era más una cuestión de, '¿Podemos averiguar qué tan rápido crecen realmente?' ", Dijo Phelps." ¿Podemos usar oligoelementos, elementos que no pertenecen a los cristales de cuarzo, para calcular la tasa de crecimiento? "

Tomó más de tres años, un viaje de campo para recolectar muestras de cristales de una mina de pegmatita en el sur de California, cientos de mediciones de laboratorio para mapear con precisión la composición química de las muestras y una inmersión profunda en algunos artículos de ciencia de materiales de hace 50 años para crear un modelo matemático que podría transformar los perfiles químicos en tasas de crecimiento de cristales.

"Examinamos cristales de media pulgada de ancho y más de una pulgada de largo, ", Dijo Phelps." Mostramos que crecieron en cuestión de horas, y no hay nada que sugiera que la física sería diferente en cristales más grandes que miden un metro o más de longitud. Basado en lo que encontramos cristales más grandes como ese podrían crecer en cuestión de días ".

Las pegmatitas se forman donde se extraen pedazos de la corteza terrestre y se reciclan en el manto fundido del planeta. Cualquier agua que quede atrapada en la corteza se convierte en parte del derretimiento, y a medida que el derretimiento se eleva y se enfría, da lugar a muchos tipos de minerales. Cada uno se forma y precipita de la masa fundida a una temperatura y presión características. Pero el agua permanece constituyendo un porcentaje progresivamente mayor de la masa fundida de enfriamiento.

"Finalmente, te queda tanta agua que se vuelve más un fluido dominado por el agua que un fluido dominado por el derretimiento, "Dijo Phelps." Los elementos sobrantes en esta mezcla acuosa ahora pueden moverse mucho más rápido. Las velocidades de difusión química son mucho más rápidas en los fluidos y los fluidos tienden a fluir más rápidamente. Entonces, cuando un cristal comienza a formarse, los elementos pueden llegar más rápido lo que significa que puede crecer más rápido ".

Los cristales son una disposición ordenada de átomos. Se forman cuando los átomos caen naturalmente en ese patrón organizado en función de sus propiedades químicas y niveles de energía. Por ejemplo, en la mina donde Phelps recogió sus muestras de cuarzo, se habían formado muchos cristales en lo que parecían ser grietas que se habían abierto mientras la pegmatita aún se estaba formando.

"Ves que aparecen y atraviesan las capas de pegmatita en sí, casi como venas dentro de las venas, ", Dijo Phelps." Cuando esas grietas se abrieron, que bajó la presión rápidamente. Entonces el fluido se precipitó porque todo se esta expandiendo, y la presión bajó drásticamente. De repente, todos los elementos de la masa fundida están ahora confundidos. Ya no quieren estar en ese estado físico y rápidamente comienzan a unirse en cristales ".

Para descifrar la rapidez con que crecieron los cristales de muestra, Phelps utilizó microscopía de catodoluminiscencia y ablación con láser con espectrometría de masas para medir la cantidad precisa de oligoelementos que se habían incorporado a la matriz cristalina en docenas de puntos durante el crecimiento. A partir del trabajo experimental realizado por científicos de materiales a mediados del siglo XX, Phelps pudo descifrar las tasas de crecimiento de estos perfiles.

"Hay tres variables, ", dijo." Existe la posibilidad de que se introduzcan cosas. Ese es el coeficiente de partición. Ahí está lo rápido que crece el cristal la tasa de crecimiento. Y luego está la difusividad, entonces, qué tan rápido se llevan los nutrientes elementales al cristal ".

Phelps dijo que las rápidas tasas de crecimiento fueron una gran sorpresa.

"Las pegmatitas son bastante efímeras, así que sabíamos que tenían que crecer relativamente rápido ", dijo." Pero estábamos demostrando que era unos órdenes de magnitud más rápido de lo que nadie había predicho.

"Cuando finalmente obtuve uno de estos números, Recuerdo que fui a la oficina de Cin-Ty, y diciendo '¿Es esto factible? No creo que esto sea correcto '", recordó Phelps." Porque en mi cabeza, Todavía estaba pensando en una escala de tiempo de mil años. Y estos números significaban días u horas.

"Y Cin-Ty dijo, 'Bien, ¿Por qué no? ¿Por qué no puede ser correcto? '", Dijo Phelps." Porque habíamos hecho las matemáticas y la física. Esa parte estaba bien. Aunque no esperábamos que fuera tan rápido, no pudimos encontrar una razón por la que no fuera plausible ".